Antenne e propagazione. 1 Fondamenti TLC

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1 Antenne e propagazione 1 Fondamenti TLC

2 Il mezzo trasmissivo (canale) La descrizione dei mezzi fisici è propedeutica all illustrazione dei diversi sistemi di trasmissione. Il mezzo trasmissivo trasporta a distanza l informazione. Utilizza onde elettromagnetiche (OEM) o luminose. Mezzo trasmissivo doppino telefonico, cavo coassiale, fibra ottica, spazio libero, ecc. Canale di trasmissione canale equivalente, ingloba tutti gli effetti dei diversi mezzi trasmissivi presenti e sconosciuti all utente finale. Esempio: collegamento per trasmissione dati che comprende diversi mezzi trasmissivi, che possono anche variare durante il collegamento. 2 Fondamenti TLC

3 Propagazione in spazio libero OEM irradiate L irradiazione nello spazio, la successiva propagazione ed infine la ricezione delle OEM dipendono: dalla frequenza utilizzata dall ambiente in cui le OEM si propagano dal tipo di servizio richiesto. La propagazione studia la trasmissione delle onde radio in presenza del mondo fisico reale. Si ricordi il legame tra frequenza f, lunghezza d onda, e velocita della luce c c f 300 km 300 m 1GHz 3 Fondamenti TLC cm km f 1 Hz 1KHz 1MHz

4 Propagazione in spazio libero e guidata Trasmissione a distanza dell informazione. OEM guidate da una linea fisica, costituita da uno o più conduttori. Principali caratteristiche: grande larghezza di banda disponibile, possibilità solo di collegamenti punto a punto, installazione molto costosa poco riconfigurabile per altri collegamenti. OEM irradiate nello spazio e ricevute a distanza. Principali caratteristiche: collegamenti sia punto a punto che di tipo diffusivo, installazione economica facilmente riconfigurabile, ridotta disponibilità di banda. 4 Fondamenti TLC

5 Propagazione in spazio libero Tipo di servizio Servizio di diffusione (broadcasting): televisivo, radiofonico e di distribuzione di dati. Il servizio è disponibile contemporaneamente a molti utenti. Collegamenti punto a punto (link): collegano solo due punti e possono essere in cascata con altri collegamenti dello stresso tipo. Ambiente collegamenti terrestri, marittimi, aeronautici, via satellite o interplanetari. Tipo di terminale mobile o fisso. 5 Fondamenti TLC

6 Propagazione in spazio libero Caso ideale Segnale irradiato: uniformemente in tutte le direzioni, in spazio libero, cioè nel vuoto senza ostacoli o materiali che possono cambiare le caratteristiche di propagazione. La densità di potenza per unità di superficie (sferica) a distanza R da un trasmettitore di potenza P t diminuisce con il quadrato della distanza R. π P t 4 R 2 6 Fondamenti TLC

7 Propagazione in spazio libero Situazione reale Presenza di atmosfera: disomogeneità nella densità e nella composizione (diversi elementi) Presenza di altri oggetti o materiali nelle immediate vicinanze o lungo il percorso di propagazione (ostacoli): suolo terrestre, superfici acquatiche (laghi, mari, fiumi) montagne, colline infrastrutture (ponti, viadotti, sotto e sovrapassi, ecc.) pioggia neve, nebbia vegetazione Il mezzo trasmissivo si discosta, anche molto, dalla precedente situazione ideale. 7 Fondamenti TLC

8 Propagazione in spazio libero La modalità di propagazione alle diverse frequenze può essere molto differente e pertanto esse sono in generale utilizzabili solo per alcuni tipi di servizio. Esempio 1: Diffusione radiofonica tradizionale : utilizza la modulazione di ampiezza. Frequenze: qualche centinaio di KHz (onde lunghe), attorno ad 1 MHz (onde medie) fino a 30 MHz (onde corte). Queste onde vengono riflesse sia dagli strati ionizzati dell atmosfera (ionosfera) che dal suolo terrestre. Sfruttando questa modalità possono viaggiare a grandissima distanza. 8 Fondamenti TLC

9 Propagazione in spazio libero Esempio 2: Gamma delle frequenze VHF ed UHF (da 30 a 1000 MHZ) si hanno servizi di diffusione televisiva e radiofonica in FM. Inoltre sono state utilizzate alcune di queste frequenze per il servizio radiomobile pubblico. Esempio 3: Le frequenze maggiori di 1 GHz e fino a 50 GHz (dette anche microonde) passano attraverso l atmosfera e pertanto sono utilizzate nelle trasmissioni via satellite. Inoltre per la banda disponibile trovano numerose applicazioni nel campo terreste (sistemi radiomobili, ponti radio a microonde, radar, radionavigazione, ecc.) 9 Fondamenti TLC

10 Propagazione in spazio libero Microonde A causa della curvatura della terra è necessario che l antenna trasmittente e quella ricevente siano in piena visibilità radioelettriche. Per aumentare la visibilità (e quindi la lunghezza del collegamento) è necessario aumentare l altezza delle antenne dal suolo. Nei sistemi in ponte radio attualmente in esercizio l altezza delle antenne è metri, con portate del collegamento di circa 50 Km. L utilizzo di frequenze superiori a 20 GHz limita la lunghezza della tratta quasi unicamente per la presenza di forti attenuazioni dovute a fenomeni atmosferici. Esistono sistemi che utilizzano la propagazione troposferica, cioè la diffusione in varie direzioni di raggi secondari causata da disomogeneità presenti nella troposfera. Si ha una ricezione molto debole e temporalmente molto discontinua. 10 Fondamenti TLC

11 Antenne Caratteristiche delle antenne utilizzate nei sistemi di telecomunicazione. L antenna di trasmissione rende possibile l irraggiamento dei segnali nello spazio, mentre l antenna di ricezione capta le onde elettromagnetiche e le converte in segnali elettrici per il ricevitore. L irradiazione uniforme è un caso molto ideale. Nella pratica le antenne sono più o meno direttive, irradiano preferibilmente in certe direzioni o su determinati piani. Una descrizione sintetica del modo di irraggiare di un antenna è dato dal diagramma di radiazione. 11 Fondamenti TLC

12 Antenne: apertura del fascio L angolo di apertura del fascio di radiazione risulta proporzionale alla lunghezza d onda ed inversamente proporzionale alle dimensioni fisiche dell antenna D. Se il fronte dell onda e parallelo (θ0) all antenna lunga D, l antenna e illuminata in modo uniforme tutti i contributi di radiazione si sommano in fase il segnale ricevuto e massimo. Se l onda incide con θ ± / D, i contributi sono sfasati la somma costruita dall antenna e nulla. Per valori di θ intermedi, l apertura utile del fascio ( trasmissione e/o ricezione) e compresa tra - / 2D a + / 2D. Si conclude che l apertura del fascio e l /D RADIANTI D ϑ D ϑ 0 ϑ D 12 Fondamenti TLC

13 Antenne: precisione di puntamento Consideriamo il caso del puntamento dell antenna parabolica (la parabola che vediamo sui tetti delle nostre case) per la ricezione del segnale televisivo numerico. Il diametro della parabola sia D60cm, la frequenza del segnale e circa f12ghz. Con quale precisione dobbiamo puntare la parabola verso il satellite quale e l errore massimo di puntamento? f c m/s Hz 2.5cm D60cm ϑ D 0.25m 0.6 m rad π gradi ϑ D Quindi, se incliniamo l antenna di ±1.2 0 rispetto al puntamento ottimale siamo al limite dell apertura nominale dell antenna. La potenza ricevuta diventa meta di quella che si avrebbe con il puntamento ottimale. Pertanto, il puntamento deve deviare di meno di ±0.6 0 rispetto a quello ottimale. 13 Fondamenti TLC

14 Antenne: guadagno e area efficace G Guadagno dell antenna. Rapporto fra il flusso di potenza irradiato nella direzione di massimo e quello di un antenna isotropa. Il guadagno ci dice di quanto aumenta il flusso di potenza rispetto al caso di propagazione isotropa. Misura la capacità di concentrare la potenza in una determinata direzione (o in un piano). A Area Efficace. La potenza del segnale all uscita della antenna ricevente è proporzionale al flusso di potenza di segnale che arriva dove e l antenna. Il coefficiente di proporzionalità è l area efficace (o apertura) A dell antenna, dipendente dalle sue dimensioni fisiche. 14 Fondamenti TLC

15 Antenne: legame tra G, A e l Il guadagno G e il rapporto fra il flusso di potenza nella direzione di massima radiazione e quello di un antenna isotropa. Un antenna isotropa distribuisce la potenza su tutta la superficie di una sfera di raggio R; un antenna rettangolare di lati D 1 e D 2 (quindi di area A D 1 D 2 ), concentra la potenza aall interno del fascio di radiazione R R D1D2 A ( R)( ϑ R) ϑ Flusso di potenza di un antenna isotropa. Flusso di potenza di un antenna con area A P t A 2 R 2 P t 4π R 2 G Guadagno d antenna. P A R t π Pt R 2 π 2 A 15 Fondamenti TLC

16 Antenne: principi di funzionamento e caratteristiche Potenza ricevuta da un antenna area efficace antenna ricevente: A distanza T x - R x : R Potenza trasmessa: P t P r P G A G G 2 t t r t r 2 4π R (4π R ) P 2 t guadagno dell antenna T x : G t T x G t R P r A P t R x 16 Fondamenti TLC

17 Attenuazione dovuti a fenomeni atmosferici Abbandoniamo l ipotesi di propagazione nel vuoto. Vediamo cosa succede quando una OEM si propaga in uno mezzo fisico reale. Principali effetti della propagazione in un mezzo: assorbimento: trasformazione di energia elettromagnetica in termica (mezzo assorbente) diffusione: dispersione dell'energia elettromagnetica in varie direzioni (mezzo non omogeneo) rifrazione: cambiamento della direzione di propagazione (variazioni dell'indice di rifrazione) diffrazione: cambiamento della direzione di propagazione dell'onda e allargamento del fascio (in presenza di ostacoli o aperture) cammini multipli: l'onda arriva all'antenna Rx seguendo due o più cammini differenti (irregolarità dell'indice di rifrazione, superfici riflettenti, diffusori) depolarizzazione: variazione della polarizzazione dell'onda (mezzi anisotropi) dispersione in frequenza: variazione di ampiezza e fase delle componenti spettrali (mezzi disperdenti) 17 Fondamenti TLC

18 Attenuazione dovuti a fenomeni atmosferici Fenomeni atmosferici e meteorologici che hanno impatto sulla propagazione: gas atmosferici (presenze di differenti elementi) idrometeore (pioggia, neve, grandine, ecc.) cristalli di ghiaccio in sospensione turbolenza atmosferica Ognuno dei fenomeni può avere anche effetti diversi da quelli precedentemente visti 18 Fondamenti TLC

19 Attenuazione dovuti a fenomeni atmosferici Assorbimento da gas: dipende dalla frequenza di trasmissione, dalla temperatura, dalla pressione e dalla concentrazione del vapore acqueo 100 attenuazione specifica [db/km] ossigeno vapor acqueo frequenza [GHz] Attenuazione specifica dell'ossigeno e del vapor d'acqua in funzione della frequenza (P1 atm., T20 C, ρ wv 7.5 g/m3) 19 Fondamenti TLC 500